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1、3/3.10-11断裂力学 Introduction to fracture mechanics,主要内容,疲劳和脆性断裂 线弹性断裂力学 断裂力学的应用 疲劳强度的基本概念 影响焊接接头疲劳强度的因素 提高焊接结构疲劳强度的措施,1.1载荷的分类与破坏形式 结构承受载荷的性质、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。,1概述,疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的8090 。冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环
2、境介质腐蚀性强，使结构缺陷加深增大）等。疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限的1/2，1/5，1/10，甚至没有外载荷。,1.2结构脆性断裂的特点 名义工作应力低: 只有材料的1/31/10，甚至外载荷等于零。 断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。 发生低应力脆性断裂的结构内，多半存在着较大的内应力，有较高的内能。 发生低应力脆性断裂的结构上，必有裂源或应力集中点存在。脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。 前三个特点，让人猝不及防，容易造成严重危害;后两个特点，反映了低应力脆性断裂的必然性。,1.3结构发生脆
3、性断裂的原因和条件 （金属结构脆性断裂的能量理论） 固体内部的裂纹和缺陷，导致其发生低应力脆性断裂。使材料的实际断裂强度只有其理论强度的1/10 1/1000。,表示能量的需要释放，不能自动扩展 即，表示结构处于临界状态 表示释放的能量需要，裂纹自动扩展，多余的能量以声、光、热等形式释放出来，造成灾难。,两点结论： 由能量原理可以看出，拉应力（可能包括外载引起的拉应力和内部残余拉应力）是裂纹产生和扩展的动力，拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度。 阻止裂纹扩展的主要因素是压应力和材料的塑性变形。,1.4 影响金属结构延、脆性断裂的主要因素（产生脆性断裂的原因） 1.4.1内在抗力因素
4、 材质因素 根据上述理论，金属结构的延性或塑性变形是裂纹扩展的主要障碍。 金属的化学成分及其晶粒度 增韧元素：Mn、Ni、Cr、Mo、V等,有提高强度，细化晶粒，增加韧性的作用。 致脆元素：C、S、P、H、O、N等，容易偏析，降低强度，有脆化作用。, 延/脆 转变温度高（如图），容易发生脆性断裂。化学成分和晶粒度，对转变温度的高低影响较大。 材质缺陷（气孔、疏松、偏析、夹杂、夹渣、夹层、裂纹、伤痕、咬肉等）是产生应力集中的根源；缺陷较多、较大或处在拉应力区，则影响较大；垂直拉应力的片状缺陷，特别裂纹影响最大。, 结构因素：结构形体、尺寸等影响应力大小、分布的因素； 结构表面形状的突变较大，则应
5、力集中严重；突变处的局部刚度过大，则使结构对应力集中敏感等。这些都是促成结构脆性破坏的重要原因。 内部应力：焊接内应力、构件之间的拘束应力、温差应力、各种冷热加工应力等在结构中造成过大的拉伸内应力。这与过大的外载荷一样，均能促成结构的脆性破坏。,1.4.2外在客观因素 应力状态 物体承载时，在包含分析点的单元体上，三个正应力和三个剪应力的大小，会因单元体方向的变化而变化。 不同加载方式的应力状态, 结构表面形状突变和金属内部缺陷，特别是垂直主应力方向的片状缺陷、裂纹等，在裂纹尖端或在应力集中点，会形成三向拉伸的应力状态。内因、外因结合，造成名义工作应力很低时，发生脆性破坏。其实低应力脆性断裂，
6、裂纹尖端应力并不低。, 材料的塑性较好，即材料D1的屈服点与材料的正断抗力的比值较小时，材料容易发生塑性变形。这有三点好处： 一可以促使应力集中点的应力均匀化，降低应力集中的作用； 二可使内应力重新分布，减小残余内应力的大小和影响； 三 可通过一定的塑性变形位移，使外力做功，消耗一部分内能，减小脆性破坏的危险性。,否则，如果材料的塑性较差，如D2，在外力增大时，就会在金属缺陷部位，逐渐积累起较大的弹性变形能，一旦条件成熟，裂纹扩展，积累起来的弹性变形能释放出来，就会成为裂纹失稳扩展的动力，形成瞬间发生的脆性断裂。 以上三点中，是加载方式，属外因；、反映结构抗力，属内因；是否脆断，须综合分析。,
7、 环境温度 低温会降低金属材料抗脆断的能力。 温度较高会增大金属原子的活力，容易发生塑性变形，不易产生脆性断裂。 低温会使金属材料变脆，发生（延/脆）转变，脆断多发生在低温时。 加载速率 正应力反映金属内部弹性变形的大小。正应力以声速（高度）在金属介质（钢）中传播，而塑性变形只能以比较缓慢的速度传播。以冲击等高速加载方式加载时，常常来不及产生塑性变形，而发生脆性断裂了。注意，表面形状突变、缺陷、裂纹等造成应力集中，同样具有增大加载、应变速率作用。所以，应力集中是促成脆性断裂重要因素。,1.5预防脆性断裂的措施 造成低应力脆性断裂的主要原因，可概括为两点： 材料在工作条件下的韧性不足； 缺陷的存
8、在和过大的拉应力（包括工作应力、残余应力、附加应力和应力集中等）。针对这两点，预防措施有四条：,1.5.1正确选择材料 按照使用要求，对材料的强度要求较高时，对其塑性韧性的要求也较高。但实际结构材料及其生产制造工艺所能达到情况却与需求相反，材料强度较低时，常有较大的塑性储备，而材料强度较高时，塑性韧性却明显不足。,焊接接头难免有焊接缺陷。 低强材料的焊接接头，采用高组配，是高强度组配，承载后母材屈服时，焊缝的变形仍然很小，不易发生径缩，虽然焊缝中可能有缺陷，仍能保证接头与母材等强度。,高强材料的焊接接头采用低组配，这实际上，是高韧性组配，焊缝材料化学成分纯度高，杂质少，韧性好，接头承载时，焊缝
9、金属和母材相比，有一定的塑性变形能力，有利于减小缺陷或应力集中的影响，促使应力均匀化，推迟裂纹的萌生，减缓裂纹的扩展。另外，高韧性，低组配的焊接接头，工艺性好，焊接缺陷少。焊缝宽度较窄时（窄间隙焊接），高韧性，低组配的焊接接头能与母材等强度。,1.5.2正确设计 尽量采用合理的结构形式去提高结构的强度、刚度等承载能力，盲目加厚、加大构件尺寸，并非明智之举。厚度大，则冶金缺陷较多，容易引起三向应力和应力集中。, 尽量减小结构和焊接接头部位的应力集中 尽量采用应力集中系数较小的对接接头，并注意开缓和槽，做到圆滑过渡，必要时可以修磨平滑。, 尽量避免接头区局部刚度过大，局部刚度越大，对应力集中越敏感
10、。 注意结构中次要元件的质量。次要附件的结构形式不好或焊接质量不好，也可能引起主干结构的破坏。,原设计 改进后的方案,1.5.3合理安排结构制造工艺 合理选择焊接材料、焊接方法和焊接工艺参量控制焊接线能量，尽量减少、减小工艺缺陷。 严格生产管理和产品检验制度，把工艺缺陷（引弧、息弧弧坑、夹渣、咬肉等）消灭在生产过程中。不可随意在工件上焊附件，去掉时要磨平。 采用过载拉伸、热处理等适当的措施，消除或改善结构的残余应力分布。 妥善保管产品成品、半成品，避免造成附加应力，温度应力等。,1.5.4正确使用，精心维护 注意工作环境防腐，防止环境温差造成内应力，防止结构重要部位受到急冷的袭击。,2.1断裂
11、力学的概念、任务及研究对象 常规的强度计算方法中，以b、s来衡量材料的抗断能力，并把材料抽象为均质、连续和各向同性的，不计算材料内部缺陷、内应力、表面应力集中的作用，而以安全系数统筹考虑它们的影响。 近代高强合金材料大量涌现，强度越来越高，结构越来越轻巧，但材料的塑性储备越来越小，对缺陷、应力集中、内应力的影响越来越敏感，低应力脆性破坏事故屡屡发生，给人类造成巨大损失，断裂力学应运而生。,2断裂力学及其在焊接中的应用,2.1.1断裂力学的概念和任务 断裂力学即裂纹体力学，是专门研究裂纹体中，裂纹在萌生、扩展中的力学理论及其应用问题的科学。这里所指的裂纹是广义的，材料中的微小缺陷，也被视作微裂纹
12、。 研究表明，结构的脆性破坏，与名义工作应力关系不大，直接取决于临近缺陷位置的局部应力和应力集中程度。结构的低（工作）应力破坏是由宏观裂纹的扩展而引发的。 断裂力学通过研究裂纹尖端局部区域的应力、应变（方向、大小、分布）情况，了解裂纹在应力作用下的扩展规律，以确定带裂纹构件（即裂纹体）的承载能力或使用寿命，保证构件安全工作。,裂纹扩展有稳定扩展（又称亚临界扩展）和不稳定扩展（失稳扩展）两种： 裂纹只有不断接受外界能量，才会扩展的情况，如疲劳裂纹扩展，称为稳定扩展； 勿须外界提供能量，裂纹就能快速扩展的情况（如低应力脆性断裂）称为失稳扩展。,裂纹失稳扩展的原因： 裂纹较长，裂纹尖端应力集中严重，
13、裂尖区域成为三向拉伸的脆性应力状态； 裂纹扩展中释放的弹性应变能随裂纹长度递增，形成失稳状态，并放出多余能量。临界裂纹尺寸的大小随裂纹体的应力水平，或随裂尖区域应力场场强的增大而减小。 断裂力学的任务在于： 研究宏观裂纹在什么条件下，才会导致失稳扩展，引发脆性断裂； 建立裂纹尺寸与破坏应力之间的关系。这对结构安全设计、合理选材、改进材质和施工工艺，以及制定裂纹体力学的概念标准等都有重要意义。,2.1.2断裂力学按研究对象分类 理想弹性材料 线弹性断裂力学，首先将材料当作理想的线弹性体来研究断裂机理，即研究裂纹体的应力应变状态和裂纹扩展规律。对此研究结果稍作修整，可用于裂纹尖端产生小范围屈服的研
14、究，在工程实践中应用于超高强度钢、厚截面的中强度钢结构，其塑性变形小；对中低强度钢的结构，作修改后，可作近似估计。 弹塑性材料 非线性断裂力学，用弹塑性线性理论，来分析裂纹尖端存在塑性变形的区域，并分析其断裂破坏机理，可用于中、低强度，并具有较大韧性的材料。,2.2线弹性断裂力学简介 2.2.1应力强度因子 超高强度钢或较厚的高强度材料，断裂前的变形基本上是弹性变形，没有明显的塑性变形发生，一般称这些材料为脆性材料或称其应力状态为脆性应力状态。线弹性断裂力学认为：材料脆性断裂之前基本上是弹性变形，应力和应变之间是线性关系，在这样的条件下，可以用材料力学、弹性力学来分析裂纹扩展规律。,在名义正应
15、力作用下，处于弹性平衡状态时，反映裂纹尖端附近应力场强度的力学参量，称为应力强度因子，裂纹扩展类型属型I，故用K1表示。,2.2.2裂纹扩展类型,裂纹是引发结构脆性断裂的主要因素，常见裂纹可分为：穿透裂纹、表面裂纹、内部裂纹三种。 张开型裂纹容易扩展，最常见，又最危险，这种类型的低应力脆断问题研究的较多。,2.2.3简化断裂力学计算的两种特殊情况 平面应力状态： 任何弹性物体受力时，都存在三维应力、应变问题。若无限大薄板，板面外没有施力物体，则表面；薄板厚度方向拘束很小，内部，基本属于平面应力状态。, 平面应变状态： 沿大厚度板板面方向，作用拉伸载荷，板面内（即X、Y方向）的应力及其弹性应变是
16、主要的；厚板中层，厚度Z方向的拘束不能忽略，即,形成三向拉伸状态，很难产生塑性变形小， 近乎平面应变状态；,断裂力学假定把受力的弹性裂纹体上、下表面（Z方向）固定起来，使Z方向不能收缩，即 的情况称为平面应变状态。,2.2.4线弹性断裂力学的应用方法 张开型裂纹在平面应变条件下，最容易产生失稳扩展。现在重点分析张开型裂纹尖端的应力强度因子1。1与应力大小成正比，是反映裂尖区域应力场强度的力学参数。构件中的裂纹，在外力作用下，逐渐长大。与此同时，构件裂尖应力强度因子1也随之逐渐增大。当1达到临界之后。构件中的裂纹将突然失稳扩展。应力强度因子的这个临界值，称为临界应力强度因子，用1c表示，它就是材
17、料的断裂韧性，它反映材料抵抗脆性断裂，或裂纹失稳扩展的能力。平面应变条件下，材料抵抗脆性断裂的判据是：,材料断裂韧性的值KIC，通过试验求得，K1C与试件的几何尺寸（板厚）形状、受力情况、环境温度等因素有关。,2.2.5线弹性断裂力学的应用范围及其在小塑性区的近似应用 线弹性断裂力学只适用于线弹性体，而实际金属材料在裂纹尖端区总有小量塑性变形，原则上不适于线弹性断裂力学。但当裂尖塑性区尺寸，远小于裂纹长度（称小范围屈服）的情况下，仍可按线弹性断裂力学，近似估算其真实性能。,2.3非线性（弹塑性）断裂力学简介 中低强度材料，裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度，可以达到同一数量级，发生所谓大范围屈服的
18、情况。裂纹尖端发生塑性变形的过程中，应力缓缓增加，裂尖应力场强度变化不大，应力强度因子不能反映裂尖区域金属不断硬化变脆的危险情况，须用弹塑性断裂力学的方法来解决这类问题，用裂纹尖端张开位移（COD）和形变功率(J积分)等来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态。,2.4断裂力学的应用 在研究和处理脆性破坏问题时，应用断裂力学，可以解决以下一些问题： 应用断裂力学的理论和方法，检测工程结构的安全可靠性； 根据断裂力学的原则和判据，进行安全设计； 按照断裂力学的指导思想，合理选择结构材料和施工工艺，发展新材料，新工艺，或寻找适宜的代用材料； 对发生的低应力破坏事故，进行合理的调查分析，总结教训，提出改进措施。,实际应用标准 欧洲工业结构完整性评定方法（SINTAP） 英国含缺陷结构完整性评定标准（6） BS 7910金属结构中缺陷验收评定方法导则 API 579推荐用于合乎使用的实施办法 GB19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定,